JP2007520868A - 選択的に調整可能な直接内部改質及び間接内部改質を伴う内部改質燃料電池構体 - Google Patents

Abstract

１つ以上の燃料電池を有する燃料電池構体を具備し、供給燃料を改質するための１つ以上の直接内部改質流路及び１つ以上の間接内部改質流路と、１つ以上の間接内部改質流路及び１つ以上の直接内部改質流路への供給燃料の第１の部分及び第２の部分のそれぞれの結合を選択的に調整自在に制御する結合構体とを含む燃料電池システム。

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池構体の内部における温度分布を改善するように、供給燃料の内部改質を採用する高温燃料電池構体に関する。

燃料電池を使用する場合、有用な電力レベルを生成するために、通常はスタックとして構体の内部に電池を配列するのが一般的である。また、燃料電池構体の供給燃料として、メタンなどの水素含有燃料を利用し、構体を通過して流れるように水素含有燃料プロセスガスを生成するために、水素含有燃料を改質するのが一般的である。

例えば、内部改質溶融炭酸塩燃料電池構体のような高温内部改質燃料電池構体においては、燃料プロセスガスを生成するために、供給燃料は、構体の内部で改質される。このガスは、その後、構体の燃料電池のアノード室を経て搬送される。燃料プロセスガスがアノード室を通過する間に、ガスは、構体の燃料電池のカソード室内を搬送されるオキシダントプロセスガスとの間で電気化学反応を起こす。電気化学反応は、電解質を介して起こる。電解質は、アノード室とカソード室とを分離し、それらの室の間で帯電イオンを伝導する。この電気化学反応の結果、所望の電気エネルギー又は電気出力が構体から生成される。

内部改質高温燃料電池構体は、高価で複雑な外部改質装置を必要としないという点で好都合である。さらに、構体の冷却を助けるために、吸熱（すなわち、熱を吸収する又は必要とする）反応である改質反応を利用できるので、好都合である。

内部改質燃料電池構体における供給燃料の改質は、改質触媒の流れ（ガス流）を使用することにより実現される。触媒は、炭化水素供給燃料の流路において構体の内部に配置され、それにより供給燃料を改質し、燃料プロセスガスを生成する。従来、直接内部改質及び間接内部改質という２つの形態の内部改質が使用されてきた。それぞれの内部改質は、構体の燃料電池のアノード室に関して、改質触媒がどのような特定の関係で配置されるかに基づく。

直接内部改質では、改質触媒は、燃料電池のアノード電極へ炭化水素燃料を直接搬送する燃料電池アノード室のアノード流路、すなわち、アノード電極と直接連通するアノード流路に配置される。これは、改質プロセスから生成された水素含有燃料ガスをアノード電極に直接供給するという利点を有する。しかし、この種の配置においては、炭化水素燃料を直接搬送するアノード流路に改質触媒が存在するために、触媒は、アノード電極及びアノード流路を介して構体の燃料電池の電解質にさらされる。そのように電解質にさらされる時間が経過するにつれて、触媒の性能は劣化する。

間接内部改質の場合には、改質触媒は、燃料電池構体の内部において、アノード電極と直接連通するアノード流路から隔離又は分離されたチャンバ又は流路に配置される。改質後のプロセスガスは、その後、アノード流路へ搬送され、そこで電気化学反応を起こす。間接内部改質の利点は、隔離された流路に改質触媒が配置されるために、触媒が燃料電池電解質による有害な影響又は劣化から良好に保護されることである。

米国特許第４，１８２，７９５号は、高温燃料電池が、供給燃料ガスをアノード電極へ直接搬送するアノード流路から隔離された流路を介する間接内部改質を採用するシステム及び方法を説明する。このシステム及び方法においては、隔離された流路の流れは、所望の総冷却量に基づいてアノード流路から独立して設定される。また、改質ガスをアノード電極へ送り出すために、２つの流路に対する別個の導管並びに外部接合部及び外部弁が使用される。

米国特許第４，３６５，００７号は、直接内部改質を採用する燃料電池システム及び方法を開示する。この場合、改質触媒は、供給燃料ガスを燃料電池のアノードへ直接搬送するアノード流路と多孔質障壁を介して連通する流路に配置される。多孔質障壁は、触媒を燃料電池の電解質から部分的に隔離するように作用する。改質ガスをアノード電極に供給し、電解質蒸気が触媒に到達するのを阻止するために、システムは触媒を含む流路とアノード流路との圧力差にさらに依存する。隔離流路及びアノード流路を形成するために、複雑なアノード集電装置が必要であると共に、多孔質障壁にも余分な材料が必要であるために、このシステムは高価である。さらに、差圧を利用して、多孔質障壁を介してアノード流路へ改質燃料ガスを均一に送り出すことを実現することは困難である。

米国特許第４，５６７，１１７号は、間接内部改質又は直接内部改質のいずれかを使用する燃料電池に対して使用できる技術を開示する。この場合、改質のために採用される触媒は、燃料電池内部で一様な温度分布を実現するのを促進するように適応される。特に、触媒は、アノード集電装置のうち、隔離流路又はアノード流路のいずれかを形成する部分に直接適用され、且つ燃料電池のより高温の領域にあるガスをより多く改質するように有効に分配され、それにより温度の不均衡を減少する。この特許の技術の場合にも、技術が直接内部改質燃料電池に適用されるか、又は間接内部改質燃料電池に適用されるかに応じて、先に’７９５号特許及び’００７号特許に関して説明した直接内部改質及び間接内部改質の限界がそのまま当てはまる。

米国特許第４，７８８，１１０号は、直接内部改質燃料電池で使用可能な技術を説明する。この技術によれば、アノード集電装置は、同様に集電装置により形成されるアノード流路から部分的に遮蔽された触媒収容流路を形成する。この構成の場合、触媒が部分的に遮蔽されるので、触媒が改質プロセスに関与する割合が少なくなり、その結果、触媒の有効性は低くなる。

米国特許第５，１７５，０６２号は、スタックの長さに沿って間隔をおいて改質ユニットが配置された間接内部改質燃料電池スタックを説明する。各改質ユニットは、角部に燃料供給ポートを有するＵ字形の触媒収容チャンバ又は流路を含む。改質ユニットからの改質ガスは、マニホルドへ送り出され、マニホルドは、スタック燃料電池のアノード電極と連通するアノード流路へ改質ガスを供給し、そこで電気化学反応が起こる。このシステムにおいては、燃料供給管に要求される大きさの関係上、相対的に大きな燃料ガスの圧力降下が発生し、システムの価格は高くなる。

米国特許第５，３４８，８１４号は、同様にスタックの長さに沿って改質ユニットが分配された間接内部改質燃料電池スタックを説明する。このスタックにおいては、マニホルドによる供給は内部で行われる。各改質ユニットを形成するためにスタック中で使用される２極板が複雑であるため、スタックの価格は相対的に高い。

米国特許第５，６６０，９４１号は、隔離された改質チャンバにおいて使用されるべき触媒部材に関して種々の構成を有する間接内部改質燃料電池スタックを開示する。アノード集電装置の頂上部領域に挿入するための板状触媒部材及び触媒ペレットを支持する網状部材が説明される。

米国特許第４，８７７，６９３号は、間接内部改質及び直接内部改質の双方を採用する燃料電池スタックを説明する。間接内部改質は、燃料電池スタックの長さに沿って分配された触媒収容流路を使用することにより実行される。それらの流路は、スタックの燃料電池アノード電極へ供給燃料ガスを直接搬送するアノード流路から隔離される。直接改質は、アノード流路内に配置された触媒を介して実行される。この場合、未使用供給ガスは、触媒収容流路を通過し、部分的に改質される。部分改質されたガスは、その後、アノード流路を通過し、そこでさらに改質される。アノード流路において、改質ガスは電気化学反応を受ける。隔離された触媒収容流路からの部分改質ガスをアノード流路に結合するために、マニホルドが使用される。

間接内部改質及び直接内部改質の双方を採用するさらに新しい燃料電池スタックは、本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／２６９，４８１号に開示される。このスタックにおいては、触媒を収容する隔離された流路は、スタックの長さに沿って分配された複数の改質ユニットの形態をとり、改質ユニットはＵ字形の流路を含む。改質ユニットからの部分改質された供給ガスがアノード流路へ送り出されるように、改質ユニットの出口と触媒を収容するアノード流路を伴うアノード室の入口とは、共通のマニホルドと連通する。このシステムにおいても、システムの漏れを軽減するために、供給燃料の送り出しは共通マニホルドで行われる。
米国特許第４，１８２，７９５号明細書 米国特許第４，３６５，００７号明細書 米国特許第４，７８８，１１０号明細書 米国特許第５，１７５，０６２号明細書 米国特許第５，３４８，８１４号明細書 米国特許第５，６６０，９４１号明細書 米国特許第４，８７７，６９３号明細書 米国特許出願第１０／２６９，４８１号明細書

本発明の目的は、直接内部改質及び間接内部改質の双方を有し、構体の寿命の間、燃料電池構体の変化によりよく適応できる燃料電池構体を提供することである。

本発明の別の目的は、直接内部改質及び間接内部改質の双方を有し、様々に異なる組成の燃料が使用される場合に、所望の温度分布及び性能をよりよく実現できる燃料電池構体を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、直接内部改質及び間接内部改質の双方を有し、触媒劣化に直面した場合に所望の温度分布及び性能をよりよく実現できる燃料電池構体を提供することである。

本発明の原理によれば、上記の目的及びその他の目的は、１つ以上の燃料電池を有する燃料電池構体を具備し、供給燃料を改質するための１つ以上の直接内部改質流路及び１つ以上の間接内部改質流路と、１つ以上の間接内部改質流路及び１つ以上の直接内部改質流路への供給燃料の第１の部分及び第２の部分のそれぞれの結合を選択的に調整自在に制御する結合構体とを含む燃料電池システムにおいて実現される。以下に開示される本発明の実施形態においては、結合構体は、供給燃料の第１の部分及び第２の部分を間接内部改質流路と混合構体とへそれぞれ誘導する。混合構体は、間接内部改質流路からの出力をさらに受け入れる。混合構体の混合出力は、その後、燃料電池構体の直接内部改質流路へ送り出される。

導管接合部は、供給燃料の第１の部分及び第２の部分を、間接改質流路へ燃料を送り出す第１の導管と、混合構体へ燃料を送り出す第２の導管とにそれぞれ結合する。第１の導管及び第２の導管にある弁により、供給燃料の第１の部分及び第２の部分を選択的に調整できる。

本発明の上記の特徴及び面、並びにその他の特徴及び面は、添付の図面と関連させて、以下の詳細な説明を読むことにより、さらに明らかになるであろう。

図３は、本明細書に開示内容が参考として取り入れられている’４８１号出願に記載される種類の燃料電池システム１０１を概略的に示す。図３において、システム１０１は、１つ以上の燃料電池１０２を具備する燃料電池構体１０１Ａを含み、各燃料電池は、アノード室１０３と、カソード室１０４と、それらの間に配置された電解質１０５とを有する。燃料電池１０２は１つしか示されていないが、通常、燃料電池構体（アセンブリ）１０１Ａは、燃料電池スタックを形成するために互いに積み重ねて配列された多数の電池１０２を有する。

燃料電池１０２のアノード室１０３は、アノード電極１０３Ａ及びアノード流路１０３Ｂを含む。アノード流路は、改質触媒を含み、アノード電極１０３Ａと直接連通している。その結果、アノード流路は、炭化水素を含有する供給燃料を直接内部改質させると同時に、改質後の水素含有燃料プロセスガスをアノード電極に直接供給する。

燃料電池構体１０１Ａは、構体１０１Ａ内部に別の流路１０６をさらに含み、この流路は、アノード流路１０３Ｂから分離又は隔離され、また、未使用炭化水素供給燃料の間接内部改質のために触媒を含む。流路も１つしか示されていないが、構体１０１Ａは、通常、燃料電池構体の長さに沿って分配された複数の流路１０６を有し、多くの場合、それらの流路は、構体の燃料電池と熱連通する個別の改質ユニットにより形成される。

図３のシステムにおいて、未使用供給燃料１１１は、加熱器（燃料スーパーヒーター）１０７を通って供給される。加熱器は、燃料電池１０２のカソード室１０４の排気口からの排出オキシダントガスをさらに受け入れる。未使用供給燃料は、加熱器１０７を通過することにより加熱され、加熱された未使用供給燃料は、その後、間接内部改質流路１０６の中へ供給される。間接内部改質流路において、加熱未使用供給燃料の一部は改質され、水素含有燃料プロセスガスを生成する。残る未使用供給燃料と水素含有燃料プロセスガスとの混合物は、その後、直接内部改質アノード流路１０３Ｂに結合され、そこで、残る未使用供給燃料の一部は、さらに水素含有燃料プロセスガスに変換される。

アノード流路を通過する間に、水素含有燃料プロセスガスは、燃料電池のカソード室１０４のオキシダントプロセスガスによって、アノード電極１０３Ａ、カソード電極１０４Ａ及び電解質１０５を経て電気化学変換を受ける。その結果、所望の電気出力が発生される。

同様に図示される通り、未使用水素含有燃料プロセスガスを含むアノード流路からのアノード排気ガスは、混合ユニット１０８に供給される。混合ユニットは、空気として示される未使用オキシダント供給ガスをさらに受け入れる。ミキサ１０８において混合された後、発生した混合流れはオキシダイザ（酸化器）１０９に供給される。オキシダイザにおいて、アノード排気ガスは燃焼され、流れの中のオキシダント供給ガスの温度を燃料電池１０２により必要とされる温度まで上昇させる。

従って、図３のシステムにおいては、未使用供給燃料の間接内部改質及び直接内部改質の双方を使用することにより、触媒が電解質にさらされる割合が少なくなるため、触媒劣化の影響を低減できる。また、所望の温度で動作するために、燃料電池内部の所望の温度分布をよりよく実現できる。しかし、そのような成果は、未使用供給燃料が所定の組成である場合に実現でき、組成が変化すると、性能は劣化してしまう。さらに、電池及びスタックの動作寿命の間、触媒劣化が起こるため、それによっても、性能は悪影響を受ける。

そこで、様々に異なる組成の未使用供給燃料及び触媒劣化に燃料電池システム１０１がよりよく適応できるようにするために、間接内部改質流路１０６及び直接内部改質アノード流路１０３Ｂへの燃料の供給をさらに高いレベルで制御するように、本発明の原理に従って図３のシステムを変形した。図１は、この制御方法を追加した本発明の第１の実施形態を示す。

図１において、図３の要素と同様の要素は、図３と同一の図中符号により示される。特に、本発明によれば、図１において、図３のシステムは、間接内部改質流路１０６に向かう未使用供給燃料１１１の第１の部分１１１Ａ及び直接内部改質アノード流路１０３Ｂに向かう未使用供給燃料１１１の第２の部分１１１Ｂの流れを調整自在に選択的に制御するための結合構体２０１を含むように変形されている。さらに詳細に説明すると、構体２０１は、導管接合部２０２を含み、この導管接合部において、未使用供給燃料１１１の第１の部分１１１Ａ及び第２の部分１１１Ｂが合流又は分割され、第１の導管又はライン２０２Ａ及び第２の導管又はライン２０２Ｂに対してそれぞれ利用可能な状態にされる。第１の導管２０２Ａは間接内部改質流路１０６に結合し、第２の導管は結合構体２０１の一部でもある混合器（コンバイナ）２０３に結合する。

混合器２０３は、間接内部改質流路１０６から出た部分改質ガス及び残りの未使用供給燃料ガスを、導管２０２Ｂにより搬送される未使用燃料ガスの第２の部分１１１Ｂと混合する。この混合流れは、その後、直接内部改質アノード流路１０３Ｂへ送り出され、さらに改質され、電気化学反応を発生する。構体２０１は、未使用供給燃料の第１の部分１１１Ａ及び第２の部分１１１Ｂの調整をそれぞれ可能にする弁２０４及び２０５を導管２０２Ａ及び２０２Ｂにさらに含む。

弁２０４及び２０５が、それぞれ対応する未使用供給燃料の部分を個別に調整でき、それにより、様々に異なる未使用供給燃料の組成に対して、構体１０１Ａにおける所望の温度分布をよりよく適応させることができることは明らかである。従って、例えば、弁２０５を制御することにより構体１０１Ａにおけるさらに最適な温度分布を実現できる。特に、未使用供給燃料１１１が間接内部改質流路１０６において過剰に改質されると考えられるような組成である場合、弁２０５をさらに大きく開放することにより未使用供給燃料の部分１１１Ｂを増加させ、それにより未使用供給燃料の部分１１１Ａを減少し、その結果、適切な量の供給燃料を間接流路１０６で改質できるようにする。また、燃料電池構体１０１Ａの動作時間が長くなり、直接内部改質流路１０３Ｂの触媒が劣化するにつれて、流路１０３Ｂにおける触媒の劣化を考慮して、より多くの量の未使用供給燃料が間接内部改質流路１０６で改質されるように弁２０４を開放できる。

図１の本発明の実施形態においては、未使用供給燃料が加熱器１０７を通過した後、結合構体２０１が未使用供給燃料に応答することがわかる。図２に示される本発明の別の実施形態では、結合構体２０１は加熱器１０７に先行して配置される。

図２に示されるように、導管接合部２０２は、加熱器１０７に入る前に未使用供給燃料１１１を受け入れ、第１の導管又はライン２０２Ａ及び第２の導管又はライン２０２Ｂに対して、未使用供給燃料１１１の第１の部分１１１Ａ及び第２の部分１１１Ｂをそれぞれ利用可能な状態にする。この場合、第１の導管２０２Ａは、加熱器１０７に結合し、加熱器１０７から間接内部改質流路１０６に至る。第２の導管２０２Ｂは、加熱器を通ることなく混合器２０３に結合する。

従って、この実施形態の場合、未使用供給燃料の第１の部分１１１Ａは、間接内部改質流路１０６からの流れと混合されるとき、燃料電池構体温度より低い温度にある。これにより、構体をさらに冷却できる。

図１の本発明の燃料電池構体及び’４８１号出願の燃料電池構体の温度を同等の動作ポイントで測定した実験の結果を図４及び図５にそれぞれ示す。’４８１号出願の構体の場合の図５の測定値は、燃料吸気口面の付近の温度が６５０℃に近づいていることを示す。本発明の構体の場合には、図４に示されるように、燃料吸気口面の温度は６２０℃以下まで下がっている。

’４８１号出願の構体と比較した図１の本発明に係る構体の温度分布の改善は、図６に示される。この図において、本発明の構体の燃料吸気口領域が冷却されている実態を明確に見てとれる。これらの実験は、所定の構体設計において代替燃料と共に本発明の構体を採用することにより、予測される温度分布の改善をシミュレートする。

種々の燃料に対する計算上の平衡改質効率と温度との関係が図７に示される。通常、燃料電池システムは、４０％〜８０％の間接内部改質効率によって最適な温度分布を示すように設計される。図７からわかるように、燃料電池構体の動作温度である５５０〜６５０℃では、メタンが理想の燃料になる。プロパン、ブタン及びヘキサンなどの他の燃料の場合、メタン用に設計された構体の間接内部改質は、１００％に近くなるであろう。その結果、構体の燃料吸気口面の温度が上がりすぎ、構体に高温勾配が発生するであろう。図１の本発明の構体の場合には、開放された弁２０４及び２０５について適切に選択された位置を設定することにより、弁２０５を閉鎖した場合の１００％から４０％以下まで連続的に有効間接内部改質を調整できる。これは、安全性を考慮した用途の場合のように、複数の燃料による動作が望まれる場合に、著しく大きな利点を提供する。

あらゆる場合において、以上説明した構成及び方法は、本発明の適用を表す多くの可能な特定の実施形態の単なる例示にすぎないことが理解される。本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、本発明の原理に従って、多くの種々の他の構成を容易に考案できる。

図１は、本発明の第１の実施形態に従った直接内部改質及び間接内部改質を有する燃料電池システムを示す図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に従った直接内部改質及び間接内部改質を有する燃料電池システムを示す図である。 図３は、’４８１号出願の場合のような直接内部改質及び間接内部改質を有する燃料電池システムを示す図である。 図４は、図１に示される本発明の燃料電池システムについて実験により測定されたスタック温度を示す図である。 図５は、図３に示される’４８１号出願の燃料電池システムについて実験により測定されたスタック温度を示す図である。 図６は、図３に示される’４８１号出願の燃料電池システムと比較して、図１の本発明の燃料電池システムについて測定されたスタック温度分布の改善を示す図である。 図７は、種々の電池に係る計算上の改質効率と温度との関係を示す図である。

Claims (10)

1. 燃料電池システムであって、
   １つ以上の燃料電池を有する燃料電池構体を具備し、供給燃料を改質するための１つ以上の直接内部改質流路及び１つ以上の間接内部改質流路を含むよう構成された燃料電池構体と、
   １つ以上の前記間接内部改質流路及び１つ以上の前記直接内部改質流路へと供給される供給燃料の第１部分及び第２部分の結合を選択的に調整自在に制御する結合構体と
   を含む、燃料電池システム。
2. 前記供給燃料を加熱する加熱器をさらに含み、
   前記結合構体は、前記加熱器から加熱された供給燃料を受け入れ、該供給燃料を前記第１部分と前記第２部分とに分割する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記供給燃料を加熱する加熱器をさらに含み、
   前記結合構体は、前記供給燃料を受け入れ、該供給燃料を前記第１部分と前記第２部分とに分割し、前記第２部分を１つ以上の前記間接内部改質流路へと結合する前に前記加熱器を通過するよう搬送する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記結合構体は、前記供給燃料の前記第２部分を１つ以上の前記間接内部改質流路からのガス流と混合させることで混合流を形成し、該混合流を１つ以上の前記直接内部改質流路へ結合する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記結合構体は、
   供給燃料を受け入れ、該供給燃料を前記第１部分及び前記第２部分へと分割する接合部と、
   混合器と、
   前記供給燃料の前記第１部分を１つ以上の前記間接内部改質流路へと搬送する第１導管と、
   前記供給燃料の前記第２部分を前記混合器へと搬送する第２導管と
   を含み、
   １つ以上の前記間接内部改質流路からのガス流を前記混合器へと結合し、かつ、前記混合器からの前記混合流を１つ以上の前記直接内部改質流路へ結合する、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記結合構体は、
   前記供給燃料の前記第１部分を調整するために前記第１導管に設けられた第１弁と、
   前記供給燃料の前記第２部分を調整するために前記第２導管に設けられた第２弁と
   を含む、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記接合部の前に設けられ、該接合部へ流入する前の前記供給燃料を加熱する加熱器をさらに含む、
   請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記加熱器は、１つ以上の前記燃料電池からのカソード排気ガスとともに前記供給燃料を加熱するものであり、
   前記燃料電池システムは、
   １つ以上の前記燃料電池からのアノード排気ガスとオキシダントガスとを混合するミキサと、
   前記ミキサからのガス流を受け入れ、１つ以上の前記燃料電池へのカソード吸気ガスとして供給されるガス流を出力するオキシダイザと
   をさらに含む、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記接合部の後に設けられ、１つ以上の前記間接内部改質流路へと前記供給燃料の前記第１部分が搬送される前に該第１部分を加熱する加熱器をさらに含む、請求項６に記載の燃料電池システム。
10. 前記加熱器は、１つ以上の前記燃料電池からのカソード排気ガスとともに前記供給燃料を加熱するものであり、
    前記燃料電池システムは、
    １つ以上の前記燃料電池からのアノード排気ガスとオキシダントガスとを混合するミキサと、
    前記ミキサからのガス流を受け入れ、１つ以上の前記燃料電池へのカソード吸気ガスとして供給されるガス流を出力するオキシダイザと
    をさらに含む、請求項９に記載の燃料電池システム。

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